在聚合物组合物中填料结构的保持的制作方法

在聚合物组合物中填料结构的保持
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年2月20日提交的第62/979,335号美国临时申请的权益，该临时申请通过引用整体并入本文中。
技术领域
3.本公开涉及包含填料的聚合物组合物、混合这类包含填料的聚合物组合物以保持填料的结构的方法，以及具体地涉及这类其中填料包括高结构炭黑的聚合物组合物。


背景技术：

4.填料，例如炭黑，可用于多种应用中以赋予聚合物材料所需的性能。在各个方面，这类填料可以提供对紫外线辐射的耐受性、导电性和/或导热性、增强材料和/或颜色。
5.包含填料例如炭黑的聚合物的电导率可能与填料的结构有关。虽然可以制备诸如炭黑之类的高结构填料，但当填料混入聚合物体系时，这种高结构通常会减少或被破坏。因此，需要改进的含有高结构填料的聚合物材料及其制备方法。本公开内容的组合物和方法满足了这些需求和其他需求。


技术实现要素：

6.根据本发明的目的，如本文所体现和广泛描述的，本公开内容在一方面涉及包含填料的聚合物组合物、混合这类包含填料的聚合物组合物以保持填料结构的方法，特别是这样的聚合物组合物，其中所述填料包含高结构炭黑。
7.在一方面，公开了一种制备聚合物混合物的方法，其包括：(a)提供包含聚合物和填料的进料组合物；其中填料以进料组合物的5重量％至40重量％的量存在于进料组合物中；以及(b)均质化(homogenize)进料组合物以形成熔融聚合物组合物；其中均质化在比聚合物的推荐加工温度范围的上限高10℃至100℃的温度下进行；从而形成所述聚合物混合物。
8.还公开了根据所公开的方法制备的聚合物混合物。
9.本发明的其他方面将部分地在下文的描述中阐述，并且部分地从描述中将是显而易见的，或者可以通过本发明的实践来了解。本发明的优点将通过所附权利要求中特别指出的要素和组合来实现和获得。应当理解，如所要求保护的，前述一般描述和以下详细描述仅是示例性和解释性的，而不是对本发明的限制。
附图说明
10.并入且构成本说明书的一部分的附图与说明书一起用于解释本公开内容的原理。
11.图1为描述单级法雷尔连续混合器(farrel continuous mixer)中的两个反向旋转、非啮合螺杆(7/15型或#7/#15转子组合)的示例性设计以及相关功能区(进料段、混合段、三角区域(apex region))的示意图。
具体实施方式
12.通过参考以下对本发明的详细描述和其中包括的实施例，可以更容易地理解本发明。
13.在公开和描述本发明的混合物、组合物、制品、体系、装置和/或方法之前，除非另有说明，应理解它们不限于特定的合成方法，除非另有说明，或不限于特定的试剂，因此当然可以变化。还应理解，本文使用的术语仅出于描述特定方面的目的，并不旨在进行限制。尽管与本文描述的那些相似或等效的任何方法和材料可以用于本发明的实践或测试，但是现在描述示例方法和材料。
14.本文提及的所有出版物(包括astm方法)通过引用并入本文以公开和描述与所引用的出版物相关的方法和/或材料。
15.除非另有定义，否则本文使用的所有技术和科学术语与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。尽管与本文描述的那些相似或等效的任何方法和材料可以用于本发明的实践或测试，但是现在描述示例方法和材料。
16.如本文所用，除非另有明确相反说明，否则单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“所述(the)”包括复数指示物，除非上下文另有明确说明。因此，例如，提及“填料”或“溶剂”分别包括两种或更多种填料或溶剂的混合物。
17.如本文所用，“熔体流动指数(melt flow index)”是衡量有多少克聚合物在十分钟内流过模具的量度，因此由单位“g/10min”表示。测定熔体流动指数的测试是在给定的取决于聚合物的温度下进行。在美国材料与试验学会(american society for testing and materials)(astm)d1238中更详细地描述了该测试方法，其全部内容以引用的方式并入本文。
18.如本文所用，“推荐的加工温度”是指由聚合物的制造商指定的温度范围(通常列在技术数据表中)，或使用本领域已知的方法确定，在该温度范围内聚合物应该被加工以避免聚合物降解。因此，例如，如果特定聚丙烯的推荐加工温度为180℃至230℃的，则根据本文所述的方法聚丙烯可在高于推荐加工温度的上限10℃至100℃的温度下加工，即240℃至330℃。
19.如本文所用，“腺泡状结构(aciniform structure)”是由椭球体碳颗粒熔在一起为胶状尺寸聚集体构成的炭黑(也称为腺泡状炭或“ac”)，其在透射电子显微镜(tem)下作为一个簇状的葡萄状结构可见。
20.在本文中范围可以表示为“约”一个特定值，和/或至“约”另一个特定值。当表示这样的范围时，另一个方面包括一个特定值和/或至另一个特定值。类似地，当值表示为近似值时，通过使用先行词“约”，应理解，所述特定值形成另一个方面。应进一步理解，每个范围的端点相对于另一个端点而言是重要的，并且独立于另一个端点。还应理解，本文公开了多个值，并且除了所述值本身之外，还在本文中公开了每个值为“约”该特定值。例如，如果公开了值“10”，则还公开了“约10”。还应理解，两个特定单元之间的每个单元也是被公开的。例如，如果公开了10和15，那么也公开了11、12、13和14。
21.如本文所使用的，术语“任选”或“任选地”意指随后描述的事件或情况能够发生或不能发生，并且所述描述包括其中所述事件或状况发生的情况和不发生的情况。
22.公开了用于制备本发明组合物的组分以及在本文公开的方法中使用的所述组合
物本身。这些材料和其他材料在本文中公开，并且应当理解，当这些材料的组合、子集、相互作用、组等被公开时，虽然不能明确公开这些混合物的每个不同个体和集体组合以及排列的具体参考，但每一个都在本文中被特别考虑和描述。例如，如果公开和讨论了特定混合物并且讨论了可以对所述混合物包括的许多分子进行的许多修饰，则特别考虑的是混合物的每一种组合和排列以及可能的修饰，除非有相反的特别表示。因此，如果公开了一类分子a、b和c以及一类分子d、e和f并且公开了一个组合分子的实例a-d，那么即使每一个都没有单独叙述，每一个都是单独地和集体地考虑意味着组合a-e、a-f、b-d、b-e、b-f、c-d、c-e和c-f被认为是公开的。同样，还公开了它们的任何子集或组合。因此，例如，a-e、b-f和c-e的亚组将被认为是公开的。该概念适用于本技术的所有方面，包括但不限于制备和使用本发明组合物的方法中的步骤。因此，如果存在多个可实施的附加步骤，应理解这些附加步骤中的每一个步骤都可以与本发明的方法的任何特定实施方案或实施方案的组合一起来实行。
23.本文公开的每种材料均可商购获得和/或其制备方法是本领域技术人员已知的。
24.应当理解，本文公开的组合物具有特定功能。本文公开的是用于执行所公开的功能的特定结构要求，并且应理解，存在与所公开的结构相关的可执行相同功能的多种结构，并且这些结构通常会实现相同的结果。
25.除非另有说明，份数是重量份数，温度单以℃计或为环境温度，压力等于或接近大气压。
26.如上简要所述，本公开内容提供了包含填料的聚合物组合物、混合这类包含填料的聚合物组合物以保持填料的结构的方法，特别是这样的聚合物组合物，其中所述填料包含高结构炭黑。
27.炭黑的形态特征包括例如粒度/细度、表面积、聚集体尺寸/结构、聚集体粒度分布和聚集体形状。粒度是炭黑初级颗粒直径的量度。这些大致球形的炭黑颗粒平均直径在纳米范围内。粒度(particle size)可以通过电子显微镜直接测量或通过表面积测量间接测量。平均粒度是决定橡胶制品的分散性、拉伸强度、抗撕裂性、滞后性和耐磨性的重要因素，而在液体和塑料体系中，平均粒度会强烈影响复合材料的相对颜色强度、紫外线稳定性、和导电性。在相同的结构下，较小的粒度赋予较高的拉伸强度、抗撕裂性、滞后性和耐磨性、较强的颜色、耐uv性和增加的分散难度。
28.炭黑颗粒聚结形成较大的簇或聚集体，其为炭黑的主要可分散单元。在反应器中控制聚集体尺寸和结构。聚集体结构的测量可以通过电子显微镜或油吸收来获得。曾经，结构是通过邻苯二甲酸正-二丁酯或dbp吸收来测量的，现在替换为吸油值或oan(astm d2414-18,iso 4656/1)。结构的另一种测量方法是压缩吸油值或coan(astm d3493-18)，其中炭黑试样在进行吸油测量之前被机械压缩。oan和coan值之间的差异可以作为炭黑结构稳定性的指标。具有大量初级颗粒的相对较大聚集体的等级可以是高结构等级，具有较大的聚集体，具有较多的空隙空间和高吸油性。高结构炭黑可以增加混合物的粘度、模量和导电性。高结构还可以减少模具膨胀、负载能力、并提高分散性。较低结构的炭黑会降低混合物的粘度和模量、增加伸长率、模具膨胀和负载能力，但也会降低分散性。如果炭黑的所有其他特性保持不变，那么窄的聚集体尺寸分布会增加炭黑分散的难度并增加滞后和降低回弹性。
29.制备炭黑的基本方法是众所周知的。通常，炭黑是通过烃类气体或液体的部分氧
化或热分解而制备的，其中将烃类原料(下文称为“原料烃”)注入热气流中，其中将原料烃进行热解并在喷洒水淬火之前转化为烟。热气是通过在燃烧段中燃烧燃料产生的。热气从燃烧段流入与燃烧段开放连通的反应段。当热气流过反应段时，原料烃被引入热气中，从而形成包含形成炭黑颗粒的反应混合物。反应混合物从反应器流入与反应段开放连通的冷却段。在冷却段的某个位置，将一种或多种淬火喷液(例如水)引入流动的反应混合物中，从而将反应混合物的温度降低到制备炭黑所需的温度以下并停止碳形成反应。然后黑色颗粒从热气流中分离出来。通过控制反应器条件的操作，可以制造出宽范围的炭黑类型。
30.许多炭黑反应器通常包括轴向连接至圆柱形或平截头体圆锥形反应段一端的圆柱形燃烧段。反应阀(reaction choke)通常轴向连接至反应段的另一端。反应阀的直径稍微小于反应段的直径，并将反应段连接到冷却段。冷却段通常是圆柱形的并且直径远大于反应阀的直径。
31.本发明的炭黑材料可以使用炭黑领域中通常已知的技术进行制备。下文和实施例中描述了制备本发明炭黑的各种方法。这些方法的变化可以由本领域技术人员确定。一方面，本发明的炭黑可以在炭黑反应器中制备，例如在美国专利号4,927,607和5,256,388中大体描述的那些，这些专利的公开内容通过引用整体并入本文中。可以使用其他炭黑反应器，并且本领域技术人员可以确定用于特定应用的合适反应器。原料、燃烧进料和淬火材料在炭黑领域是众所周知的。这些进料的选择对于本发明的炭黑来说不是关键的。本领域技术人员可以确定用于特定应用的合适的进料。适用于特定应用的原料、燃烧进料和淬火材料的量也可以由本领域技术人员确定。
32.众所周知，炭黑以覆盖大范围表面积和结构或吸收能力的腺泡状聚集体的形式存在。吸收能力或聚集体结构通过其对聚合物混合物粘度的影响表现出来，较高的结构导致较高的粘度。更根本地，从形态学的角度来看，结构通过形状和/或聚集体的复杂程度来表现自己，较低结构的聚集体具有更紧凑的球形和椭圆形结构，而较高结构的聚集体具有更支化和开放的结构，能够结合大量的聚合物。
33.在一方面，制备聚合物混合物的方法包括：(a)提供包含聚合物和填料的进料组合物；其中填料以进料组合物的5重量％至40重量％的量存在于进料组合物中；和(b)均质化进料组合物以形成熔融聚合物组合物；其中均质化在比聚合物的推荐加工温度范围上限高10℃至100℃的温度下进行；从而形成聚合物混合物。在另一方面，该方法还包括固化熔融聚合物组合物。
34.在一方面，本文所述的方法可以提供包含高结构填料例如炭黑的导电聚合物的混合物，其使用在降低的熔体粘度和短的混合时间下运行的混合设备进行制备。
35.在另一方面，本文所述的方法可以与市售的混合设备一起使用以开发含有高度结构化的填料(例如炭黑)的导电混合物。
36.在各个方面，将导电或高结构填料材料例如炭黑混入塑料中通常涉及由于在混合工艺中为分散填料而产生的高剪切应力和填料聚集体(特别是碳黑)的形成性质而导致的填料结构破坏。在混合工艺中保持填料结构对于导电性能是非常需要的，例如，具有较高结构的填料如炭黑有利于导电网络的形成。本公开内容的方法提供了一种独特的工艺，该工艺有利于保持所有或基本上所有的填料结构，从而使所得到的混合物可以在与常规材料或混合方法使用的负载相同或更低的负载下表现出稳健的导电性能和其他所需性能.
37.在一方面，本文所述的方法可应用于多种填料材料，例如导电炭黑材料、树脂体系，以及商业连续混合器。传统的混合方法包括在混合装置中混合一种或多种树脂和一种或多种填充材料。当填料材料包含高结构填料例如高结构炭黑时，在混合和/或挤出或注射成型过程中产生的剪切力会导致填料结构的损失。例如，高混合剪切力会导致炭黑聚集体被破坏，因此，导致在所得聚合物制品中较低的填料结构和较低的电导率值。
38.例如，在混合过程中，炭黑材料的空隙体积(v'/v)可以显著降低，例如从约3.0降低到约1.6-2.0的水平。在本发明中，与常规加工温度相比，高结构炭黑可以在升高的温度下混合。填料和塑料的常规加工教导需要高粘度以获得良好的分散性和混合性。在本发明中，与传统观念相反，使用较高的加工温度和因此较低的粘度来减少炭黑结构的破坏，同时仍保持良好的分散性。
39.本发明的填料可以包括任何填料，例如具有腺泡状结构的填料。在一方面，填料可以包括炭黑材料。在另一方面，填料可以包括导电或半导电炭黑。在又一方面，填料可以包含高结构炭黑。在另一方面，填料可以包含根据astmd2414-18测量的吸油值为至少约100、105、110、115、120、125、130、135、140、145、150、155、160、165、170、，175、180、185、190cc/100g或更高的炭黑。在其他方面，填料可包含吸油值为以下值的炭黑：约100至约250、约100至约180、约130至约160、约125至约175、约140至约160、约140至约150、约150至约160、约100至约160、约110至约150、或约120至约155cc/100g。在各个具体方面，炭黑可包括birla carbon 7055、7060、7067、conductex ku、conductex scu、raven p、raven p7u或raven pfeb的炭黑，购自birla carbon,marietta,georgia usa。在其他方面，填料可以包括适用于本方法的任何其他炭黑。
40.在另一方面，填料可以是具有以下特征的炭黑：(a)根据astm d2414-18测量的炭黑吸油值(oan)为100cc/100g至180cc/100g；(b)根据astm d6556测量的氮表面积(nsa)范围为50m2/g至210m2/g；和(c)根据astm d6556测量的统计厚度表面积(stsa)范围为50m2/g至150m2/g。在另一方面，炭黑具有根据astm d3849测量的20nm至60nm的平均粒度分布。在又一方面，炭黑具有根据astm d3849测量的40nm至50nm的平均粒度分布。
41.在其他方面，填料可以包括表面改性炭黑，例如氧化炭黑。在另一方面，填料可以具有通过透射电子显微镜(tem)确定的腺泡状结构。在又一方面，填料可以包括半导电或导电炭黑。
42.在特定聚合物体系中使用的填料例如炭黑的量可以根据聚合物和最终制品的所需性质而变化。在各个方面，填料例如炭黑的负载量可以是约5重量％、7重量％、9重量％、11重量％、13重量％、15重量％、17重量％、19重量％、21重量％、23重量％、25重量％、27重量％、29重量％、31重量％、33重量％、35重量％、40重量％、45重量％、50重量％、55重量％、60重量％或更多。在其他方面，填料例如炭黑的负载量可以为约15重量％至约60重量％、约15重量％至约50重量％、约15重量％至约40重量％、约15重量％至约30重量％、约18重量％至约30重量％、约20重量％至约27重量％、约22重量％至约30重量％，或约25重量％至约35重量％。在一些方面，在进料组合物中填料以进料组合物的5重量％至40重量％的量存在。在其他方面，在进料组合物中填料以进料组合物的15重量％至30重量％的量存在。在另一方面，填料在进料组合物中以进料组合物的18重量％至27重量％的量存在。
43.在其他方面，炭黑或其他填料的特定负载量可以根据特定聚合物、炭黑和最终制
品的所需性质进行变化。在这些方面，填料的负载量可以小于或大于本文所述的任何特定值。在本文中提及炭黑的任何情况下，本技术应被视为还包括对任何其他合适填料或填料组合的此类浓度或负载量的提及。
44.聚合物可以包括适用于本发明的任何聚合物或聚合物混合物。在一方面，聚合物或聚合物混合物可以是可熔融加工的。在一方面，聚合物可以包括热塑性聚合物。在另一方面，聚合物可以包括热固性聚合物。在各个方面，聚合物可以包括烯烃，例如聚乙烯或聚丙烯。在其他方面，聚合物可以包括缩醛、丙烯酸系聚合物、聚酰胺、聚苯乙烯、聚氯乙烯、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚碳酸酯或其他聚合物、共聚物或它们的混合物。在一些方面，使用公开方法制备获得的聚合物混合物可以是导电聚合物混合物，例如具有约1,000欧姆/平方或更低的表面电阻率的聚合物混合物。
45.在一方面，聚合物可以具有约5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95或更多的熔体流动指数(以g/10min为单位计)。在另一方面，聚合物具有至少5g/10min的熔体流动指数。在又一方面，聚合物具有至少20g/10min的熔体流动指数。在其他方面，聚合物具有10至90g/10min范围内的熔体流动指数。熔体流动指数值可以根据astm d1238测量。
46.在各种具体方面，聚合物可以包括聚丙烯，例如，根据astm d1238测量的熔体流动指数为20g/10min的ravago pbm-20nb，或者测量的根据astm d1238测量的熔体流动指数为80g/10min的ravago certene pbm-80nb。在另一方面，聚合物可以是聚丙烯，例如pp1024e4(熔体流动指数为13)、pp1105e1(熔体流动指数为35)或pp7905e1(熔体流动指数为100)(均购自exonnmobil)。
47.在其他方面，组合物可以包含其他组分，例如抗氧化剂、加工助剂、油、蜡、脱模剂和/或通常用于聚合材料加工的其他材料。
48.在一方面，用于将聚合物材料与填料掺混和/或混合的加工温度可以比特定聚合物材料的推荐加工温度的上限高约10℃至约100℃。在各个方面，使用的加工温度比特定聚合物材料的推荐加工温度的上限高约10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95或100℃。应该理解，推荐的加工温度可以根据特定的聚合物材料而变化，并且本发明旨在提供一种方法，其中使用的温度高于给定材料通常使用或推荐的温度。本领域技术人员应该熟悉特定聚合物材料的特性和推荐的加工条件，从而能够基于此选择更高的温度。应该注意的是，应核查本文使用的升高的温度，以确保在高温下操作时不会释放或散发有害物质，以及设备和材料均可以在如此的高温下以安全的方式使用。
49.在一些方面，该方法还可以包括例如从制造商提供的技术数据表中获得特定聚合物的推荐加工温度，并且基于获得的推荐加工温度范围确定升高的加工温度。在另一方面，缩醛聚合物的推荐加工温度可以是180-210℃，因此使用所公开的方法的加工温度可以比该范围的上限高10℃至100℃。在另一方面，丙烯酸系聚合物的推荐加工温度可以是210-250℃，因此使用公开方法的加工温度可以比该范围的上限高10℃至100℃。在另一方面，nylon 6聚合物的推荐加工温度可以是230-290℃，因此使用公开方法的加工温度可以比该范围的上限高10℃至100℃。在另一方面，nylon 6/6聚合物的推荐加工温度可以是270-300℃，因此使用所公开的方法的加工温度可以比该范围的上限高10℃至100℃。在另一方面，聚碳酸酯聚合物的推荐加工温度可以是280-320℃，因此使用公开方法的加工温度可以比
该范围的上限高10℃至100℃。在另一方面，聚酯聚合物的推荐加工温度可以是240-275℃，因此使用公开方法的加工温度可以比该范围的上限高10℃至100℃。在另一方面，pet聚合物(半结晶或无定形)的推荐加工温度可以是260-280℃，因此使用公开方法的加工温度可以比该范围的上限高10℃至100℃。在另一方面，聚丙烯聚合物的推荐加工温度可以是200-280℃，因此使用公开方法的加工温度可以比该范围的上限高10℃至100℃。在另一方面，聚丙烯聚合物的推荐加工温度可以是200-220℃，因此使用公开方法的加工温度可以比该范围的上限高10℃至100℃。在另一方面，聚丙烯聚合物的推荐加工温度可以是200-230℃，因此使用公开方法的加工温度可以比该范围的上限高10℃至100℃。在另一方面，聚丙烯聚合物的推荐加工温度可以是200-240℃，因此使用公开方法的加工温度可以比该范围的上限高10℃至100℃。在另一方面，聚丙烯聚合物的推荐加工温度可以是200-250℃，因此使用公开方法的加工温度可以比该范围的上限高10℃至100℃。在另一方面，聚苯乙烯聚合物的推荐加工温度可以是170-280℃，因此使用公开方法的加工温度可以比该范围的上限高10℃至100℃。在另一方面，tpe聚合物的推荐加工温度可以是260-320℃，因此使用公开方法的加工温度可以比该范围的上限高10℃至100℃。
50.在诸如连续混合器的混合器中，可以使用适用于本发明的任何混合转子。在一些方面，合适的连续混合器可以包括一对以同步速度运行的反向旋转、非啮合转子。这类连续混合器中的转子对根据转子类型编号命名，例如，“7/15型转子组合”，或在某些情况下，称为“#7/#15”转子组合。在各个方面，一对转子可以包括以下对中的一对：#7/#7、#7/#15、#15/#7、#15/#15。在其他方面，可以使用其他转子或转子组合。
51.在一方面，可以操作连续混合器以在约18重量％至约27重量％的负载量下混合聚丙烯和birla carbon 7055炭黑，其中料斗设置为149℃，腔室设定为288℃，且孔口设定为232℃。在这样的一方面，一对#15混合转子用于强力混合。
52.在一方面，在260℃的加工温度下可使用熔体流动指数为80的聚丙烯。在各个方面，用于这种混合物的炭黑可以是负载量水平为约18重量％至约27重量％的birla carbon 7055炭黑。在其他方面，连续混合器或混合设备的任何特定组件的温度可以设置为提供如本文所述的所需性能。
53.本文所述的较高加工温度可以降低熔融聚合物材料的粘度，从而降低剪切和填料结构的破坏。
54.混合器的进料速率或通过量可以是适用于加工如本文所述的聚合材料的任何值。在各个方面，通过量可以为500kg/hr，或500、600、650、700、750、800、850、900、950、1000、1050、1100、1150、1200、1250、1300、1350、1400、1450或1500kg/hr。应当理解，进料速率可以低于或高于本文所述的任何值，并且可以由混合设备、聚合物材料和填料材料决定。拥有本公开内容的本领域技术人员可以容易地确定合适的进料速率。
55.在另一方面，模具可以保持在足以减小表层厚度的温度下。一方面，模具可以保持在约140℉的温度下。
56.根据astm标准d3849通过热解从混合物中提取炭黑之后，通过具有自动图像分析(tem/aia)的透射电子显微镜分析炭黑结构分解。此外，使用毛细管流变仪在230℃下测量高剪切粘度。
57.在一方面，制备聚合物混合物的方法还包括使熔融聚合物组合物凝固；其中所述
填料在熔融聚合物组合物凝固后保留其结构的至少80％，如根据astm d3849通过透射电子显微镜(tem)测量的。在另一方面，所述填料在熔融聚合物组合物凝固后保留其结构的至少90％，如根据astm d3849通过透射电子显微镜(tem)测量的。在又一方面，所述填料在熔融聚合物组合物凝固后保留其结构的至少95％，如根据astm d3849通过透射电子显微镜(tem)测量的。在一些方面，可将熔融聚合物组合物凝固为聚合物混合物的粒料。
58.在一方面，在混合、均质化填料和聚合物，和/或挤出或成型聚合物混合物之后，填料材料(例如炭黑)可以保留其结构的至少约80％。在其他方面，在混合、均质化填料和聚合物，和/或挤出或成型聚合物混合物之后，填料材料可以保留其结构的至少约80％、至少约85％、至少约87％、至少约89％、至少约91％、至少约92％、至少约93％、至少约94％、至少约95％、至少约96％、至少约97％、至少约98％、至少约99％或更多。
59.在其他方面，所得混合物的分散指数可为至少约80％、至少约82％、至少约84％、至少约86％、至少约88％、至少约90％、至少约92％、至少约93％、至少约94％、至少约95％、至少约96％、至少约97％、至少约98％、至少约99％或者更多。可根据astm d2663测量分散指数。
60.在其他方面，所得聚合物混合物的分散指数可为至少约80％，其中填料保留其结构的至少约80％；或分散指数至少为约85％，其中填料保留其结构的至少约85％；或分散指数至少为约90％，其中填料保留其结构的至少约90％；或分散指数至少为约95％，其中填料保留至少约95％的结构；或分散指数至少为约80％，其中填料保留至少约90％的结构；或分散指数至少为约85％，其中填料保留至少其结构的约90％；或分散指数至少为约90％，其中填料保留其结构的至少约85％；或分散指数至少为约92％，其中填料保留至少约85％的其结构；或分散指数至少为约95％，其中填料保留其结构的至少约85％；或分散指数至少为约90％，其中填料保留其结构的至少约87％；或分散指数至少为约94％，其中填料保留至少约90％的结构。
61.一方面，本文所述的方法可用在任何常规的混合或掺混设备上。在其他方面，本文所述的方法可用在连续混合器上，例如可从farrel pomini(ansonia,connecticut usa)获得的farrel compact processor(fcp，例如cp550)或farrel continuous mixer。与特定塑料树脂的推荐加工温度相比，连续混合器通常在较低的加工温度下运行。在各个方面，本文所述的方法采用非典型的高加工温度进行混合，以利用树脂在混合过程中的短停留时间，同时仍实现良好的分散型。在这些方面，特定混合器的转子设计对于制造需要高电导率的混合物变得不那么重要。
62.在一些方面，该方法包括(a)提供具有料斗和混合室的混合装置；(b)将包含聚合物和填料的进料组合物供应至混合装置的料斗；(c)将进料组合物从混合装置的料斗转移到混合室中；和(d)在混合室内均质化进料组合物以形成熔融聚合物组合物。在另一方面，可以将熔融聚合物组合物凝固成为例如固体粒料。在一些方面，混合装置的混合室包括至少一个同向旋转的双转子挤出机。在另一方面，混合装置的混合室包括反向旋转且非啮合的双转子。在又一方面，反向旋转和非啮合双转子选自7/7(#7/#7)型转子组合、7/15(#7/#15)型转子组合、15/7(#15/#7)型转子组合，或15/15(#15/#15)型转子组合。
63.当使用法雷尔式紧凑处理器或连续混合器(farrel compact processor or continuous mixer)时，可以将一种或多种固体聚合物树脂并连同添加剂(例如炭黑)和其
他任选的填料和成分一起计量并进料到混合器中。进料段通常包括一对短、深通道、短螺距的螺杆，其功能是将固体输送到混合段。进料螺杆通常是单螺纹的，而混合段将包括两个翼(wing)或凸角(lobe)。在进料段和混合段之间的过渡段中，两个转子翼中的一个作为进料螺杆进程(称为进料翼)的延续，另一个从进料螺杆的底部升起(称为非进料翼)。在具有双螺纹进料螺杆的设计中，两个混合器翼都进料。进料和非进料翼具有不同的固体输送特性。在一些方面，法雷尔连续混合器或其他混合装置可以在混合室中具有相对较大的自由体积，这可以帮助保持填料材料的结构。
64.在混合室中，每个转子翼以正向泵送段(与旋转方向相反的螺旋扭曲(helical twist opposite to the direction of rotation))开始，随后是反向泵送段(在旋转方向上的螺旋扭曲)，并且任选地以短的无倾向性(neutral)的泵送段(无螺旋扭曲)结束。正向和反向泵送段相交的点称为翼的顶点(apex of the wing)。正向泵送段的主要功能是压实、加热和开始固体软化和熔融固体进料。该过程所需的能量由电机功率提供，通过固体颗粒与金属壁之间的摩擦、颗粒间的摩擦以及熔体-固体混合物中的粘性能量耗散，将其耗散为热能。转子的混合作用使熔化的固体颗粒保持悬浮在熔化的材料中，并防止形成致密的固体床。当所得熔体充分混合和均质化时，在反向泵送段完成熔化过程。有关法雷尔紧凑型或连续混合物的结构和操作的更多详细信息，请参见eduardo l.canedo和lefteris n.valsamis的plastics compounding:equipment and processing(1998),第9章,“farrel continuous mixture systems for plastics compounding,”(david b.todd编辑)(carl hanser verlag,munich)，其对法雷尔连续混合器体系的教导通过引用整体并入。
65.根据本文所述的方法制备的混合聚合物材料的表面电阻率可以使用loresta-gp mcp-t600电阻率计(astm d4496)在注射成型薄片上测量。
66.在一方面，与常规双螺杆挤出机装置相比，本文所述的方法提供了当在连续混合器上混合时具有改进的炭黑分散性和电导率(即表面电阻率)值的混合物。
67.本文还公开了通过任何公开的方法制备的聚合物混合物，例如导电聚合物混合物。
68.在一方面，根据astm d4496在loresta-gp mcp-t600电阻率计上测量的由导电聚合物混合物形成的注射成型薄片的表面电阻率为1,000欧姆/平方或更低。在另一方面，根据astm d4496在loresta-gp mcp-t600电阻率计上测量的由导电聚合物混合物形成的注射成型薄片的表面电阻率为10欧姆/平方至1,000欧姆/平方。在又一方面，根据astm d4496在loresta-gp mcp-t600电阻率计上测量的由导电聚合物混合物形成的注射成型薄片的表面电阻率为10欧姆/平方至80欧姆/平方。在又一方面，根据astm d4496在loresta-gp mcp-t600电阻率计上测量的由导电聚合物混合物形成的注射成型薄片的表面电阻率为20欧姆/平方至80欧姆/平方。
69.实施例方面
70.鉴于所述的方法、聚合物混合物及其变体，下文描述了本发明的某些更具体的方面。然而，这些特别列举的方面不应被解释为对包含本文所述的不同或更一般的教导的任何不同权利要求具有任何限制作用，或者“特定”方面以某种方式受到限制，而不是按本文所用的字面语言的固有含义。
71.方面1:制备聚合物混合物的方法，包括：(a)提供包含聚合物和填料的进料组合
物；其中填料以进料组合物的5重量％至40重量％的量存在于进料组合物中；和(b)均质化进料组合物以形成熔融聚合物组合物；其中均质化在比聚合物的推荐加工温度范围上限高10℃至100℃的温度下进行；从而形成聚合物混合物。
72.方面2：方面1所述的方法，还包括使熔融聚合物组合物凝固；其中填料在熔融聚合物组合物凝固后保留其结构的至少80％，如根据astm d3849通过透射电子显微镜(tem)进行测量。
73.方面3：方面1或2所述的方法，其中填料在熔融聚合物组合物凝固后保留其结构的至少90％，如根据astm d3849通过透射电子显微镜(tem)测量的。
74.方面4：任一前述方面的方法，其中填料在熔融聚合物组合物凝固后保留其结构的至少95％，如根据astm d3849通过透射电子显微镜(tem)测量的。
75.方面5：任一前述方面的方法，其中将熔融聚合物组合物凝固为聚合物混合物的粒料。
76.方面6：任一前述方面的方法，其中所述填料以进料组合物的15重量％至30重量％的量存在于所述进料组合物中。
77.方面7：任一前述方面的方法，其中所述填料以进料组合物的18重量％至27重量％的量存在于所述进料组合物中。
78.方面8：任一前述方面的方法，其中填料的聚集体具有通过透射电子显微镜(tem)测定的腺泡状结构。
79.方面9：任一前述方面的方法，其中所述填料为炭黑。
80.方面10：方面9的方法，其中所述炭黑为半导电的或导电的。
81.方面11：方面9或10所述的方法，其中，所述炭黑具有根据astm d2414-18测量的至少为100cc/100g的吸油值(oan)。
82.方面12：方面9-11中任一项所述的方法，其中所述炭黑具有根据astm d2414-18测量的范围为100cc/100g至250cc/100g的吸油值(oan)。
83.方面13：方面9-12中任一项所述的方法，其中所述炭黑具有根据astm d2414-18测量的范围为100cc/100g至180cc/100g的吸油值(oan)。
84.方面14：方面9-13中任一项所述的方法，其中所述炭黑具有(a)根据astm d2414-18测量的范围为100cc/100g至180cc/100g的吸油值(oan)；(b)根据astm d6556测量的范围为50m2/g至210m2/g的氮表面积(nsa)；和(c)根据astm d6556测量的范围为50m2/g至150m2/g的统计厚度表面积(stsa)。
85.方面15：方面9-14中任一项所述的方法，其中所述炭黑具有根据astm d3849测量的范围为20nm至60nm的平均粒度分布。
86.方面16：方面9-15中任一项所述的方法，其中所述炭黑具有根据astm d3849测量的范围为40nm至50nm的平均粒度分布。
87.方面17：任一前述方面的方法，其中所述聚合物是可熔融加工的聚合物、热塑性塑料或热固性塑料。
88.方面18：任一前述方面的方法，其中所述聚合物为聚(烯烃)、聚乙烯、聚丙烯、缩醛、丙烯酸系聚合物、聚酰胺、聚苯乙烯、聚氯乙烯、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚碳酸酯或其共聚物或混合物。
89.方面19：任一前述方面的方法，其中所述聚合物具有根据astm d1238测量的至少5g/10min的熔体流动指数。
90.方面20：任一前述方面的方法，其中所述聚合物具有根据astm d1238测量的至少20g/10min的熔体流动指数。
91.方面21：任一前述方面的方法，其中所述聚合物具有根据astm d1238测量的10g/10min至90g/10min的熔体流动指数。
92.方面22：任一前述方面的方法，其中所述聚合物混合物为导电聚合物混合物。
93.方面23：方面22所述的方法，其中根据astm d4496在loresta-gp mcp-t600电阻率计上测量的由导电聚合物混合物形成的注射成型薄片的表面电阻率为1,000欧姆/平方或更小。
94.方面24：方面22或23所述的方法，其中根据astm d4496在loresta-gp mcp-t600电阻率计上测量的由导电聚合物混合物形成的注射成型薄片的表面电阻率为10欧姆/平方至1,000欧姆/平方。
95.方面25：方面21-24中任一项所述的方法，其中根据astm d4496在loresta-gp mcp-t600电阻率计上测量的由导电聚合物混合物形成的注射成型薄片的表面电阻率为10欧姆/平方至80欧姆/平方。
96.方面26：方面21-25中任一项所述的方法，其中根据astm d4496在loresta-gp mcp-t600电阻率计上测量的由导电聚合物混合物形成的注射成型薄片的表面电阻率为20欧姆/平方至80欧姆/平方。
97.方面27：任一前述方面的方法，其中所述聚合物混合物具有根据astm d2663测量的至少80的分散指数。
98.方面28：任一前述方面的方法，其中所述聚合物混合物具有根据astm d2663测量的至少90的分散指数。
99.方面29：任一前述方面的方法，其中所述聚合物混合物具有根据astm d2663测量的至少95的分散指数。
100.方面30：任一前述方面的方法，其中所述方法包括：(a)提供具有料斗和混合室的混合装置；(b)将包含聚合物和填料的进料组合物供应到混合装置的料斗中；(c)将进料组合物从混合装置的料斗转移至混合室中；(d)在混合室内均质化进料组合物以形成熔融聚合物组合物。
101.方面31：方面30所述的方法，其中混合装置的混合室包括至少一个同向旋转的双转子挤出机。
102.方面32：方面30或31所述的方法，其中混合装置的混合室包括反向旋转和非啮合的双转子。
103.方面33：方面32所述的方法，其中反向旋转和非啮合的双转子选自7/7型(#7/#7)转子组合、7/15型(#7/#15)转子组合、15/7型(#15/#7)转子组合或15/15型(#15/#15)转子组合。
104.方面34：方面30-33中任一项所述的方法，其中进料组合物以至少500kg/hr的速率供应至挤出机装置的料斗中。
105.方面35：通过任一前述方面的方法制备的导电聚合物混合物。
106.实施例
107.下文详述本发明的各种示例性实施例。这些实施例旨在是示例性的并且不旨在限制本发明的范围。对于以下每个实施例，除非另有说明，否则使用以下方法、设备和条件。
108.材料在生产量为约500kg/hr的farrel cp550混合器上使用两种类型的转子(#15和#7)进行混合。参见图1；另参见eduardo l.canedo和lefteris n.valsamis(david b.todd编辑)的plastics compounding:equipment and processing(1998),第9章,“farrel continuous mixture systems for plastics compounding,”(carl hanser出版社，慕尼黑)。
109.将熔体流动指数为80的聚丙烯树脂和birla carbon 7055炭黑用于待注射的混合物。使用较高的加工温度(～260℃)以最小化炭黑结构的破坏。
110.制备具有27％至18％的目标炭黑负载量的混合物。表1总结了使用转子(#15/#15)从混合物试样中提取的炭黑conductex 7055ultra的形态分析结果。与历史数据相比，这些试样还具有明显高水平的炭黑结构保留。
111.粒度分布特性(astm d3849方法)*
[0112][0113]
聚集体粒度分布特性(astm d3849方法)
[0114][0115]
表面电阻率数据
[0116][0117][0118]
本领域技术人员显而易知可产生本发明的各种修改和变化而不背离本发明的范
围或精神。从本文所公开的本发明的说明书和实践的考虑，本发明的其他实施方案对本领域技术人员而言将为显而易见的。意图仅将本说明书和实施例理解为示例性的，其中本发明的真实范围和精神由所附权利要求书来指示。